EP0007016A2 - Spannungs-Ladungswandler - Google Patents

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EP0007016A2
EP0007016A2 EP79102010A EP79102010A EP0007016A2 EP 0007016 A2 EP0007016 A2 EP 0007016A2 EP 79102010 A EP79102010 A EP 79102010A EP 79102010 A EP79102010 A EP 79102010A EP 0007016 A2 EP0007016 A2 EP 0007016A2
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EP
European Patent Office
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charge
voltage
line
potential
lines
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EP79102010A
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English (en)
French (fr)
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EP0007016B1 (de
EP0007016A3 (en
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Lawrence Griffith Heller
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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Publication of EP0007016A3 publication Critical patent/EP0007016A3/xx
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Publication of EP0007016B1 publication Critical patent/EP0007016B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C19/00—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers
    • G11C19/28—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements
    • G11C19/282—Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements with charge storage in a depletion layer, i.e. charge coupled devices [CCD]
    • G11C19/285—Peripheral circuits, e.g. for writing into the first stage; for reading-out of the last stage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/10—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
    • H01L27/105—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including field-effect components
    • H01L27/1057—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including field-effect components comprising charge coupled devices [CCD] or charge injection devices [CID]

Definitions

  • the invention relates to voltage-charge converters in charge-coupled devices and, in particular, to an improved converter of this type for generating duplicate and partial charge packets at spaced-apart storage locations in a semiconductor substrate.
  • CCD charge coupled device
  • the object of the present invention is to provide an improved method and a corresponding device for generating charge packets at spaced apart locations in a semiconductor substrate, the requirement for capacities which are as large as possible being eliminated.
  • the charge packets should preferably be generated at selected, spaced apart locations in a semiconductor substrate in such a way that a voltage is applied to the selected locations instead of a charge, whereby parasitic capacitances do not influence the distribution or generation of charge packages at the selected locations .
  • the purpose of this is to generate charge packets of different sizes at selected, spaced-apart locations in a semiconductor substrate at relatively high speeds.
  • a voltage-to-charge converter is used to generate a capacitor circuit entire charge packets or partial charge packets at selected, spaced apart locations in a semiconductor substrate.
  • Each line of a pair of lines connected on opposite sides of the capacitor circuit is selectively charged to a predetermined voltage by one of a pair of charge transfer devices, the charge transfer device being connected to the input of a first and a second charge recovery system.
  • voltages of a first and a second level are applied to each line of the line pair.
  • the capacitor circuit includes a single capacitor that is connected between a first and a second system, while in a second embodiment two series capacitors are connected between a first and a second system and provide improved performance.
  • CCD memory systems that use charge transfer, it is desirable to duplicate charge packets or half-size charge packets at multiple locations on a semiconductor substrate, regardless of capacities of the same size.
  • a binary 1 and a binary 0 charge packets Q1 and QO are entered at the input of a CCD storage system, while at the output of the storage system a half-level charge packet, ie (Q1-Q2) / 2 is required to sense the binary information.
  • the charge packet Q1 can be an entire packet containing a predetermined amount of charge, and the charge packet QO can be free of any charge.
  • a charge packet represents more than one information bit other fractions of cargo packages may be required instead of half the cargo packages.
  • FIGS. 1, 2 and 3 of the drawings An embodiment of a circuit and a method for generating charge packets at spaced apart locations of a semiconductor substrate according to the invention that are independent of the requirement for equally large capacitances are shown in FIGS. 1, 2 and 3 of the drawings.
  • 1 shows a first stage of a first CCD memory system by a first memory electrode 11, which is insulated from a semiconductor substrate, which is preferably made of silicon.
  • a first N + -type diffusion zone 12 is formed within the semiconductor substrate 10 and releases charge carriers, more precisely electrons, to the first CCD memory system.
  • a first stage of a second CCD storage system is indicated by a second storage electrode 13, which is insulated from the substrate 10 and is at a distance from the first storage electrode 11.
  • a second N + conductive diffusion zone 14 is formed in the substrate 10 and generates charges, ie electrons for injection into the second CCD storage system.
  • the circuit or voltage-to-charge conversion according to the invention includes a capacitor C, which is connected to one electrode via a line R to the first N + -type diffusion zone 12 and with the other electrode via a line L to the second N + -type diffusion zone is.
  • the capacitance of the capacitor C can have the value of 20 x 10 -15 F arad, for example.
  • the first line R has a stray capacitance CpR and the second line L has the stray capacitance CpL.
  • a number of reference potentials VR, VR / 2 and VR / 4 are connected to the first line R via a first field effect transistor 16, a second field effect transistor 18 and a third field effect transistor 20, while ground potential is connected to the line R via a fourth field effect transistor 22 .
  • the same Reference potentials VR, Vr / 2 and VR / 4 are connected to line L via a fifth field effect transistor (FET) 24, a sixth FET 26 and a seventh FET 28, respectively, while ground potential is connected to line L via an eighth field effect transistor 30.
  • Transistors 16, 18, 22, 24, 26 and 30 have gate electrodes 15, 17, 19, 21, 23 and 25, respectively, and the reference potential VR can be 8 volts.
  • the capacitor which acts as a voltage-charge converter, is coupled to the first stage of the first CCD memory system via the first N + -type diffusion zone by means of a potential well 27, which is formed in the semiconductor substrate under a first gate electrode 31.
  • the voltage-to-charge converter is coupled to the input stage of the second CCD memory system via the second N + -type diffusion zone 14 through a potential well-29 located under a second gate electrode 33.
  • the first gate electrode 31 and the first N + - conductive diffusion zone 12 form a diode working as a first input gate circuit and the second gate electrode 33 and the second N + - conductive diffusion zone 14 form a second diode working as an input gate circuit.
  • the circuit according to FIG. 1 is shown essentially in the semiconductor substrate 10 in FIG. 2 as an integrated circuit.
  • the second N + conductive diffusion zone 12 is the source electrode for transistors 16, 18 and 22, and the drain electrode of transistors 16, 18 and 22 is through diffusion zones 32, 34 and 36, respectively educated.
  • the second N-type diffusion zone 14 in FIG. 2 is the source electrode for transistors 24, 26 and 30, and the drain electrode of transistors 24, 26 and 30 is at 38, 40 and 42, respectively.
  • the second N + type diffusion zone 14 is also used as the second line L, but other lines, such as e.g. B. copper-doped aluminum conductors can be used.
  • One of the vouchers of capacitor C is the conductive metallic plate 44, which can be made of aluminum, while the other voucher is part of the second N + -type diffusion zone 14, with a dielectric 46, which can be made of silicon dioxide, for example, between the conductive Plate 44 and the second N + - conductive diffusion zone 14 is located.
  • the conductive plate 44 is connected to the first N -type diffusion zone 12 via the first line R through a contact diffusion 48, which can be a highly doped N + -type diffusion zone within the first N + -type diffusion zone 12.
  • the first and second storage electrodes 11 and 13 of the first and second CCD storage systems and the first and second gate electrodes 31 and 33 are separated from the semiconductor substrate 10 by the dielectric layer 46.
  • the gate electrodes 15, 17, 19, 21, 23 and 25 of the transistors 16, 18, 22, 24, 26 and 30 are also insulated from the substrate by the dielectric layer 46.
  • FIGS. 1 and 2 The operation of the circuit shown in FIGS. 1 and 2 can be better understood from the pulse diagram shown in FIG. 3.
  • a potential of 0 volts or ground potential is applied to the first line R.
  • the second line L is simultaneously charged to a voltage VR by applying a voltage Vgl to the gate electrode 21 of the transistor 24 becomes.
  • first gate electrode 31 and the second gate electrode 33 means that the first and second lines R and L are isolated from the first and second CCD memory systems with the memory electrodes 11 and 13, respectively .
  • VgR is the voltage on first gate electrode 31 and VtR is the threshold voltage across the first gate -Electrode 31 and the first N + - conductive diffusion zone 12, which acts as a diode and is an input gate circuit.
  • the voltage VgR can be 5 volts and the threshold voltage VtR can be 1 volt.
  • the voltage on the first line R is VgR minus VtR, then the voltage Vgl on the gate electrode 21 of the transistor 24 is reduced to 0, which blocks the transistor 24 and a voltage VggL of the gate electrode 25 of the transistor 30 is supplied, whereby the second line L is discharged from the reference potential VR via the transistor 30 to ground potential.
  • the first line R will also attempt to discharge because of the capacitive coupling via the capacitor C, as indicated at time t2 on the line R, but the line R quickly returns to that Voltage VgR minus VtR is charged because the voltage VgR is still at the gate electrode 31 and the first line R is potential-free.
  • the pulse diagram between times t3 to t6 in FIG. 3 serves to explain the storage of a charge packet Q of the same size at a point on the semiconductor substrate 10 which is arranged away from the first storage electrode 11, a charge packet Q being in a potential well 52 below that second storage electrode 13 of the second CCD storage system is stored.
  • the distance between the first and the second storage electrodes 11 and 13 can be any distance between two points on the substrate 10.
  • the voltage VgR at the first gate electrode 31 is reduced to 0 volts, as a result of which the first CCD storage system is isolated from the first line R at time t3 and the Voltage Vg3 is supplied to the gate electrode 15 of the transistor 16, and thus the reference potential VR is at the first line R, while the voltage VggL remains applied to the gate electrode 25 of the transistor 30, so that the second line L is kept at ground potential becomes.
  • the voltage VgL is applied to the second gate electrode 33, as a result of which the second line L is connected to the second CCD memory system, the first stage of which is characterized by the second memory electrode 13.
  • VggL on the gate electrode 25 of the transistor 30 is reduced to 0 volts so that the potential on the line L rises to the voltage VgL minus VtL, where VgL is the voltage on the second gate electrode 33 and VtL is the threshold voltage of the second diode serving as the input gate circuit, which consists of the second gate electrode 33 and the second N + -type diffusion zone 14.
  • the voltage VgL is equal to the voltage VgR and the threshold voltage VtL is preferably equal to the threshold voltage VtR.
  • the voltage VggR is applied to the gate electrode 19 of the transistor 22, causing the voltage on the first line to drop from the reference potential VR to ground potential while the on of the gate electrode 15 of the transistor 16 voltage Vg3 is reduced to 0 volts.
  • the reduction in the voltage on the first line R has the result that the voltage on the second line L, which is coupled to the first line R via the capacitor C, attempts to drop.
  • the voltages SR and SL applied to the first and second storage electrodes 11 and 13 can be 10 volts or any other desired voltage, provided that each of the voltages SR and SL is higher than a threshold voltage below VgR or VgL.
  • the voltages SR and SL can be applied continuously if desired, or they can be pulsed to the corresponding ones if desired Storage electrodes are applied at least when a charge at the gate electrode 31 or 33 enters the potential wells 27 or 29, when a charge is built up and when the first and second lines R and L are charged.
  • any charge accumulating under the gate electrode 31 or 33 in the potential well 27 or 29 during the precharge time between time t1 and t2 and time t4 and t5 when the line R to VgR minus VtR and the Line L is charged to VgL minus VtL should be derived in a conventional manner, as is disclosed, for example, in US Pat. No. 4,036,667, for example via a dissipating diode, which may, for example, consist of N -conducting material.
  • fractional charge packets such as. B. Q / 2 or Q / 4 can be generated in a simple manner by using reference voltages VR / 2 or VR / 4 instead of the reference potential VR. If you lower the voltage from VR to earth potential on one of the lines R or L and thus allow a charge packet Q to flow into a first potential well and then subsequently lower the voltage on the other line R or L from VR / 2 to earth potential, then a charge packet Q / 2 is injected into a second potential well located away from the first potential well and can be used there, for example, to sense a charge.
  • the voltage VR / 2 can be applied to the first line R via the transistor 18 by applying a corresponding voltage V1 to the gate electrode 17 of the transistor 18 while the voltage VR / 2 is on the second line can be applied via transistor 26 by applying the voltage V2 to the gate electrode 23 of the transistor 26.
  • the voltage VR / 4 for generating the charge packet Q / 4 can applied to the first line R by applying the voltage VR / 4 through the transistor 20 by applying a voltage V3 to the control electrode of the transistor 20.
  • the voltage VR / 4 can be applied to the second line L by applying the voltage VR / 4 to the line L via transistor 28 by supplying a voltage V4 to the gate electrode of the transistor 28.
  • transistors 20 and 28 for applying voltage VR / 4 are not shown in FIG. 2, but can be provided in the same way as with the transistors for applying voltages VR and VR / 2 was made.
  • the stray capacitances are precharged from the voltage-to-charge converter, so that the technique according to the present invention can easily be expanded to duplicate charge packets Q for storage at more than two points on a conductive substrate or die 10.
  • a feedback circuit for the converter can be used, as for example from an article "A Fast Sample and Hold Charge-Sensing Circuit for Photo Diode Arrays" by PGA Jespers_u.a. in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume SC-12, No. 3, June 1977, pages 232-237.
  • the invention advantageously makes use of the simple transfer of voltages from one location to another to inject desired quantities of charge into spaced-apart storage locations, rather than transferring a charge or a charge packet from one storage location to another, for example requires the use of complex charge integrators, such as a bucket chain circuit or an operational amplifier.
  • the length of the lines L and R need not be the same, since the stray capacitances can be made ineffective regardless of their size by precharging to known voltages.
  • the ratio of width to length (W / L) of the transistors used in this converter can advantageously be made equal to 1.

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Abstract

Spannungs-Ladungswandler unter Verwendung einer Kondensatorschaltung zur Erzeugung ganzer Ladungspakete oder von Teilladungspaketen an ausgewählten, voneinander auf Abstand liegenden Stellen in einem Halbleitersubstrat. Jede Leitung eines an gegenüberliegenden Seiten der Kondensatorschaltung (C; CL, CR, CP) angeschlossenen Leitungspaares (L, R) wird durch eine eines Paares von Ladungs-Übertragungsvorrichtungen selektiv auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen, wobei die Ladungs-Übertragungsvorrichtung mit dem Eingang eines ersten und eines zweiten die Ladung verwertenden CCD-Speichersystems verbunden sind. Außerdem werden dabei Spannungen eines ersten und eines zweiten Pegels an jede Leitung es Leitungspaares angelegt. Durch vorherige Aufladung der einen Leitung des Leitungspaares und durch Andern der an der anderen Leitung des Leitungspaares liegenden Spannung von einem ersten Wert nach einem zweiten Wert wird ein erstes Ladungspaket in einer Potentialmulde (27) eines ersten, die Ladung ausnutzenden CCD-Speichersystems gebildet. Zum Injizieren eines Duplikats des ersten Ladungspaketes in eine Potentialmulde (29) des zweiten Systems werden gleichartige Spannungen über der Kondensatorschaltung (C) in bezug auf das zweite System angelegt. Soll dagegen in das zweite System ein Ladungspaket injiziert werden, das nur einen Bruchteil des ersten Ladungspakets darstellt, dann unterscheiden sich die gleichartigen Spannungen nr insofern, daß die Spannungsdifferenze zwischen der ersten und der zweiten Amplitude in einen Bruchteil geändert wird, die dem Bruchteil des gewünschten Ladungspaketes entspricht. Durch Voraufladung der an die Kondensatorschaltung angeschlossenen Leitungen (L, R) werden während der Ladungs-injektion parasitäre Wirkungen unwirksam gemacht.

Description

  • Die Erfindung betrifft Spannungs-Ladungswandler in ladungsgekoppelten Vorrichtungen und insbesondere einen verbesserten Wandler dieser Art zur Erzeugung von duplizierten und Teilladungspaketen an auf Abstand voneinander liegenden Speicherstellen in einem Halbleitersubstrat.
    • Stand der Technik
  • Die Erzeugung von Ladungspaketen in mit ladungsgekoppelten Vorrichtungen arbeitenden Speichersystemen (CCD) für die Übertragung einer Ladung von einer Potentialmulde nach einer anderen ist allgemein bekannt. Ferner sind CCD-Speichersysteme unter Verwendung von mehrwertigen Signalen oder mehrwertigen Ladungen an einem vorgegebenen Speicherplatz zur Darstellung von drei oder mehr binären Informationswerten ebenfalls bekannt und sind beispielsweise in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 20, Nr. 8, Januar 1978, Seiten 3011-3013, in einem Aufsatz "Converter for CCD Multilevel Shift Registers" von H. S. Lee offenbart. Die am 10. September 1976 eingereichte US-Patentschrift 4 085 459 offenbart das Injizieren mehrwertiger Signale mit mindestens drei Informationsspannungspegeln in Form von elektrischen Ladungen in ein CCD-System. In diesem Aufsatz von H. S. Lee sowie in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 20, Nr. 8, Januar 1978, Seiten 3014-3016 in einem weiteren Aufsatz mit dem Titel "Fractional Charge Packet Generator" von J. A. Hiltebeitel und N. G. Vogl Jr. ist ebenfalls die Erzeugung von Teilladungspaketen in der Weise offenbart, daß z. B. eine vorgegebene Ladungsmenge in einer bestimmten Potentialmulde gespeichert wird, worauf dann eine Hälfte der vorgegebenen Ladungsmenge jeweils auf die zwei benachbarten Potentialmulden übertragen wird.
  • In der der Anmelderin gehörenden US-Patentschrift 4 047 051 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Duplizieren und Wiederherstellen eines Ladungspaketes in der Weise offenbart, daß zunächst ein vorgegebenes Ladungspaket in eine erste Potentialmulde eingeführt wird, welches dann, wenn die an der dieser Potentialmulde zugeordneten Elektrode liegende Spannung abgesenkt wird, bewirkt, daß dadurch Ladungsträger einer gleichgroßen Ladungsmenge von einer Source-Diffusion nach einer unter einer zweiten Elektrode liegenden zweiten Potentialmulde übertragen werden. In der ebenfalls der Anmelderin gehörenden US-Patentschrift 4 035 667 ist.eine Eingangsschaltung für das verzerrungsarme oder verzerrungsfreie Injizieren von Ladungspaketen in ein CCD-Speichersystem auf lineare Weise beschrieben, so daß die injizierte Ladung vom Schwellenwert und der Kapazität der Eingangsschaltung unabhängig wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erzeugung von Ladungspaketen an auf Abstand voneinander liegenden Stellen in einem Halbleitersubstrat zu schaffen, wobei die Forderung nach möglichst gleichgroßen Kapazitäten entfällt. Vorzugweise sollen die Ladungspakete an ausgewählten, voneinander auf Abstand liegenden Stellen in einem Halbleitersubstrat in der Weise erzeugt werden, daß anstelle einer Ladung eine Spannung an die ausgewählten Stellen angelegt wird, wobei parasitäre Kapazitäten die Verteilung oder die Erzeugung von Ladungspaketen an den ausgewählten Stellen nicht beeinflussen. Dabei soll die Erzeugung von Ladungspaketen unterschiedlicher Größe an ausgewählten, auf Abstand voneinander liegenden Stellen in einem Halbleitersubstrat mit relativ hohen Geschwindigkeiten vor sich gehen.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Spannungs-Ladungswandler unter Verwendung einer Kondensatorschaltung zur Erzeugung ganzer Ladungspakete oder von Teilladungspaketen an ausgewählten, voneinander auf Abstand liegenden Stellen in einem Halbleitersubstrat geschaffen. Jede Leitung eines an gegenüberliegenden Seiten der Kondensatorschaltung angeschlossenen Leitungspaares wird durch eine eines Paares von Ladungs-Ubertragungsvorrichtungen selektiv auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen, wobei die Ladungs-Ubertragungsvorrichtung mit dem Eingang eines ersten und eines zweiten die Ladung verwertenden Systems verbunden sind. Außerdem werden dabei Spannungen eines ersten und eines zweiten Pegels an jede Leitung des Leitungspaares angelegt. Durch vorherige Aufladung der einen Leitung des Leitungspaares und durch Ändern der an der anderen Leitung des Leitungspaares liegenden Spannung von einem ersten Wert nach einem zweiten Wert wird ein erstes Ladungspaket in einer Potentialmulde eines ersten, die Ladung ausnutzenden Systems gebildet. Zum Injizieren eines Duplikats des ersten Ladungspaketes in eine Potentialmulde des zweiten Systems werden gleichartige Spannungen über der Kondensatorschaltung in bezug auf das zweite System angelegt. Soll dagegen in das zweite System ein Ladungspaket injiziert werden, das nur einen Bruchteil des ersten Ladungspakets darstellt, dann unterscheiden sich die gleichartigen Spannungen nur insofern, daß die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Amplitude in einen Bruchteil geändert wird, die dem Bruchteil des gewünschten Ladungspaketes entspricht. Durch Voraufladung der an die Kondensatorschaltung angeschlossenen Leitungen werden während der Ladungsinjektion parasitäre Wirkungen unwirksam gemacht. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Kondensatorschaltung einen einzigen Kondensator, der zwischen einem ersten und einem zweiten System eingeschaltet ist, während in einer zweiten Ausführungsform zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren zwischen einem ersten und einem zweiten System eingeschaltet sind und ein verbessertes Betriebsverhalten liefern.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt
    • Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
    • Fig. 2 eine isometrische Ansicht mit einer Teilschnittansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten integrierten Schaltung,
    • Fig. 3 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform und
    • Fig. 4 eine Kondensatorschaltung, die zur Darstellung der zweiten Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1 anstelle der dort gezeigten Kondensatorschaltung verwendet werden kann.
    Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In vielen mit Ladungsübertragung arbeitenden sogenannten CCD-Speichersystemen ist es erwünscht, an mehrfachen Stellen eines Halbleitersubstrats, unabhängig von gleichgroßen Kapazitäten eine Duplizierung von Ladungspaketen oder Ladungspaketen halber Größe zu erzeugen. Beispielsweise werden zur Speicherung einer binären 1 und einer binären 0 Ladungspakete Q1 und QO am Eingang eines CCD-Speichersystems eingegeben, während am Ausgang des Speichersystems ein Halbpegel-Ladungspacket, d. h. (Q1-Q2)/2 zur Abfühlung der binären Information erforderlich ist. Das Ladungspaket Q1 kann ein ganzes Paket sein, das eine vorgegebene Ladungsmenge enthält, und das Ladungspaket QO kann frei von jeder Ladung sein. In mehrstufigen CCD-Speichersystemen, bei denen ein Ladungspaket mehr als ein Informationsbit darstellen kann, können statt der halben Ladungspakete andere Bruchteile von Ladungspaketen erforderlich sein.
  • Eine Ausführungsform einer Schaltung und ein von der Forderung nach gleichgroßen Kapazitäten unabhängiges Verfahren zum Erzeugen von Ladungspaketen an auf Abstand voneinander liegenden Stellen eines Halbleitersubstrats gemäß der Erfindung sind in Fign. 1, 2 und 3 der Zeichnungen gezeigt. In Fig. 1 ist eine erste Stufe eines ersten CCD-Speichersystems durch eine erste Speicherelektrode 11 dargestellt, die gegenüber einem vorzugsweise aus Silicium bestehenden Halbleitersubstrat isoliert ist. Innerhalb des Halbleitersubstrats 10 ist eine erste N+-leitende Diffusionszone 12 gebildet, die Ladungsträger, genauer gesagt Elektronen, an das erste CCD-Speichersystem abgibt. Eine erste Stufe eines zweiten CCD-Speichersystems wird durch eine zweite Speicherelektrode 13 angedeutet, die gegen das Substrat 10 isoliert ist und einen Abstand von der ersten Speicherelektrode 11 aufweist. Eine zweite N+-leitende Diffusionszone 14 ist in dem Substrat 10 gebildet und erzeugt Ladungen, d. h. Elektronen für die Injektion in das zweite CCD-Speichersystem. Die Schaltung oder die Spannungs-Ladungsumwandlung gemäß der Erfindung enthält einen Kondensator C, der mit einer Elektrode über eine Leitung R an der ersten N+-leitenden Diffusionszone 12 und mit der anderen Elektrode über eine Leitung L an der zweiten N+-leitenden Diffusionszone angeschlossen ist. Die Kapazität des Kondensators C kann beispielsweise den Wert von 20 x 10-15 Farad haben. Die erste Leitung R hat eine Streukapazität CpR und die zweite Leitung L hat die Streukapazität CpL. Eine Anzahl von Bezugspotentialen VR, VR/2 und VR/4 sind über einen ersten Feldeffekttransistor 16, einen zweiten Feldeffekttransistor 18 bzw. einen dritten Feldeffekttransistor 20 an der ersten Leitung R angeschlossen, während Erdpotential über einen vierten Feldeffekttransistor 22 mit der Leitung R verbunden ist. Die gleichen Bezugspotentiale VR, Vr/2 und VR/4 sind über einen fünften Feldeffekttransistor (FET) 24, einen sechsten FET 26 bzw. einen siebten FET 28 mit der Leitung L verbunden, während Erdpotential über einen achten Feldeffekttransistor 30 an die Leitung L angeschlossen ist. Die Transistoren 16, 18, 22, 24, 26 und 30 weisen Gate-Elektroden 15, 17, 19, 21, 23 bzw. 25 auf, und das Bezugspotential VR kann 8 Volt betragen. Der als Spannungs-Ladungswandler wirkende Kondensator ist an die erste Stufe des ersten CCD-Speichersystems über die erste N+-leitende Diffusionszone durch eine Potentialmulde 27 angekoppelt, die in dem Halbleitersubstrat unter einer ersten Gate-Elektrode 31 gebildet ist. Außerdem ist der Spannungs-Ladungswandler an die Eingangsstufe des zweiten CCD-Speichersystems über die zweite N+-leitende Diffusionszone 14 durch eine unter einer zweiten Gate-Elektrode 33 liegende Potentialmulde-29 angekoppelt. Die erste Gate-Elektrode 31 und die erste N+-leitende Diffusionszone 12 bilden eine als erste Eingangstorschaltung arbeitende Diode und die zweite Gate-Elektrode 33 und die zweite N+-leitende Diffusionszone 14 bilden eine zweite als Eingangstorschaltung arbeitende Diode.
  • Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist im wesentlichen in dem Halbleitersubstrat 10 in Fig. 2 als integrierte Schaltung dargestellt.
  • Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht der integrierten Schaltung mit einem durch die erste und zweite N -leitende Diffusionszone 12 bzw. 14 durchgehenden Schnitt. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die erste N+-leitende Diffusionszone 12 die Source-Elektrode für die Transistoren 16, 18 und 22, und die Drain-Elektrode der Transistoren 16, 18 und 22 wird durch Diffusionszonen 32, 34 bzw. 36 gebildet. Die zweite N -leitende Diffusionszone 14 in Fig. 2 ist die Source-Elektrode für die Transistoren 24, 26 und 30, und die Drain-Elektrode der Transistoren 24, 26 und 30 ist bei 38, 40 bzw. 42 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die zweite N+-leitende Diffusionszone 14 außerdem als die zweite Leitung L verwendet, doch können, falls erwünscht, auch andere Leitungen, wie z. B. mit Kupfer dotierte Aluminiumleiter benutzt werden. Einer der Belege des Kondensators C ist die leitende metallische Platte 44, die aus Aluminium bestehen kann, während der andere Beleg ein Teil der zweiten N+-leitenden Diffusionszone 14 ist, wobei ein Dielektrikum 46, das beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen kann, zwischen der leitenden Platte 44 und der zweiten N+-leitenden Diffusionszone 14 liegt. Die leitende Platte 44 ist mit der ersten N -leitenden Diffusionszone 12 über die erste Leitung R durch eine Kontaktdiffusion 48 verbunden, die eine hochdotierte N+-leitende Diffusionszone innerhalb der ersten N+-leitenden Diffusionszone 12 sein kann. Die erste und die zweite Speicherelektrode 11 bzw. 13 des ersten und zweiten CCD-Speichersystems und die erste und zweite Gate-Elektrode 31 und 33 sind von dem Halbleitersubstrat 10 durch die dielektrische Schicht 46 getrennt. Die Gate-Elektroden 15, 17, 19, 21, 23 und 25 der Transistoren 16, 18, 22, 24, 26 bzw. 30 sind ebenfalls durch die dielektrische Schicht 46 gegen das Substrat isoliert.
  • Die Arbeitsweise der in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltung läßt sich wohl besser anhand des in Fig. 3 gezeigten Impulsdiagramms verstehen. Zum Injizieren einer Ladung Q in die unter der Speicherelektrode 11 der ersten Stufe des ersten CCD-Speichersystems liegende Potentialmulde 50 sei auf das Impulsdiagramm zwischen den Zeitpunkten tO bis t3 in Fig. 3 verwiesen. Zum Zeitpunkt tO wird durch Anlegen einer Spannung VggR an die Gate-Elektrode 19 des Transistors 22 ein Potential von O Volt oder Erdpotential an die erste Leitung R angelegt. Während die zweite Leitung L gleichzeitig durch Anlegen einer Spannung Vgl an die Gate-Elektrode 21 des Transistors 24 auf eine Spannung VR aufgeladen wird. Dadurch, daß an der ersten Gate-Elektrode 31 und der zweiten Gate-Elektrode 33 ein Potential von 0 Volt liegt, sind die erste und zweite Leitung R bzw. L von dem ersten bzw. zweiten CCD-Speichersystem mit den Speicherelektroden 11 und 13 isoliert. Zum Zeitpunkt t1 wird die an der ersten Gate-Elektrode 31 liegende Spannung, wie dies durch den Impuls VgR in Fig. 3 angedeutet ist, auf angenähert 5 Volt angehoben, während die an der Gate-Elektrode 19 des Transistors 22 liegende Spannung VggR auf O Volt abgesenkt wird, wodurch der Transistor 22 abgeschaltet wird, so daß die auf der ersten Leitung R liegende Spannung sich auf einen Wert VgR minus VtR erhöht, wobei VgR die Spannung an der ersten Gate-Elektrode 31 und VtR die Schwellenwertspannung der durch die erste Gate-Elektrode 31 und die erste N+- leitende Diffusionszone 12 gebildeten, als Diode arbeitenden Eingangstorschaltung ist. Die Spannung
    VgR kann dabei gleich 5 Volt sein, und die Schwellenwertspannung VtR kann gleich 1 Volt sein. Wenn zum Zeitpunkt t2 die Spannung an der ersten Leitung R auf VgR minus VtR liegt, dann wird die an der Gate-Elektrode 21 des Transistors 24 liegende Spannung Vgl auf 0 herabgesetzt, wodurch der Transistor 24 gesperrt und eine Spannung VggL der Gate-Elektrode 25 des Transistors 30 zugeführt wird, wodurch die zweite Leitung L von dem Bezugspotential VR über den Transistor 30 nach Erdpotential entladen wird. Wie sich die zweite Leitung L nach Erde entlädt, wird wegen der kapazitiven Kopplung über den Kondensator C die erste Leitung R sich ebenfalls zu entladen versuchen, wie dies zum Zeitpunkt t2 auf der Zeile R angedeutet ist, wobei die Leitung R jedoch rasch wieder auf die Spannung VgR minus VtR aufgeladen wird, da die Spannung VgR immer noch an der Gate-Elektrode 31 liegt und die erste Leitung R dabei potentialfrei ist. Man erkennt aus diesem Impulsdiagramm, daß eine Ladungsmenge unter der ersten Speicherelektrode 11 in der Potentialmulde 50 gespeichert wird, da durch Verringerung der an der zweiten Leitung L liegenden Spannung von VR auf Erdpotential eine Ladungsmenge Q injiziert wird, die gleich der Kapazität des Kondensators C multipliziert mit der Spannungsdifferenz VR oder Q = C x VR ist.
  • Zur Erläuterung der Speicherung eines gleichgroßen Ladungspakets Q an einem Punkt auf dem Halbleitersubstrat 10, welcher von der ersten Speicherelektrode 11 entfernt angeordnet ist, dient das Impulsdiagramm zwischen den Zeitpunkten t3 bis t6 in Fig. 3, wobei ein Ladungspaket Q in einer Potentialmulde 52 unter der zweiten Speicherelektrode 13 des zweiten CCD-Speichersystems eingespeichert wird. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Speicherelektrode 11 bzw. 13 kann dabei jeder beliebige Abstand zwischen zwei Punkten auf dem Substrat 10 sein. Zur Abspeicherung eines Ladungspakets Q in der unter der zweiten Speicherelektrode 13 liegenden Potentialmulde 52 wird die an der ersten Gate-Elektrode 31 liegende Spannung VgR auf 0 Volt abgesenkt, wodurch das erste CCD-Speichersystem von der ersten Leitung R zum Zeitpunkt t3 isoliert wird und die Spannung Vg3 wird der Gate-Elektrode 15 des Transistors 16 zugeführt, und damit liegt das Bezugspotential VR an der ersten Leitung R, während die Spannung VggL an der Gate-Elektrode 25 des Transistors 30 angelegt bleibt, so daß die zweite Leitung L auf Erdpotential gehalten wird. Zum Zeitpunkt t4 wird die Spannung VgL an die zweite Gate-Elektrode 33 angelegt, wodurch die zweite Leitung L mit dem zweiten CCD-Speichersystem verbunden ist, dessen erste Stufe durch die zweite Speicherelektrode 13 gekennzeichnet ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die an der Gate-Elektrode 25 des Transistors 30 liegende Spannung VggL auf 0 Volt abgesenkt, so daß das Potential auf der Leitung L auf die Spannung VgL minus VtL ansteigt, wobei VgL die an der zweiten Gate-Elektrode 33 liegende Spannung und VtL die Schwellenspannung der zweiten als Eingangstorschaltung dienenden Diode ist, die aus der zweiten Gate-Elektrode 33 und der zweiten N+-leitenden Diffusionszone 14 besteht.
  • Die Spannung VgL ist dabei gleich der Spannung VgR und die Schwellenwertspannung VtL ist vorzugsweise gleich der Schwellenwertspannung VtR. Zum Zeitpunkt t5, wenn die zweite Leitung die Spannung VgL minus VtL angenommen hat, wird die Spannung VggR an die Gate-Elektrode 19 des Transistors 22 angelegt, wodurch die auf der ersten Leitung liegende Spannung von dem Bezugspotential VR auf Erdpotential abfällt, während die an der Gate-Elektrode 15 des Transistors 16 liegende Spannung Vg3 auf 0 Volt verringert wird. Die Verringerung der auf der ersten Leitung R liegenden Spannung hat zur Folge, daß die Spannung auf der zweiten Leitung L, die mit der ersten Leitung R über den Kondensator C gekoppelt ist, abzufallen versucht. Da die Leitung L jedoch an die Gate-Elektrode 33, an der die Spannung VgL liegt, angekoppelt ist, steigt die auf der zweiten Leitung L liegende Spannung auf den Wert VgL minus VtL an. Verringert man die an der ersten Leitung R liegende Spannung von VR auf Erdpotential, dann wird eine Ladung Q, die wiederum gleich C x VR ist, in die unter der zweiten Speicherelektrode 13 liegende Potentialmulde 52 injiziert.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß wegen der Voraufladung der Leitungen L und R die Auswirkungen der Streukapazitäten CpL und CpR und die Gleichheit der Schwellenwertspannung den Ladungsbetrag nicht beeinträchtigen, der im ersten und zweiten CCD-Speichersystem abgespeichert wird. Die einzigen Faktoren, die die durch den Wandler erzeugte Ladungsmenge bestimmen, sind der Kondensator C und die Spannung VR.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß die an der ersten bzw. zweiten Speicherelektrode 11 bzw. 13 liegende Spannung SR bzw. SL gleich 10 Volt oder gleich jeder anderen gewünschten Spannung sein kann, vorausgesetzt, daß jede der Spannungen SR und SL höher ist als eine Schwellenwertspannung unterhalb VgR bzw. VgL. Die Spannungen SR und SL können, falls erwünscht, ständig angelegt sein, oder sie können, falls erwünscht, impulsmäßig an die entsprechenden Speicherelektroden mindestens dann angelegt werden, wenn eine Ladung an der Gate-Elektrode 31 bzw. 33 in die Potentialmulden 27 bzw. 29 einläuft, wenn ein Ladung aufgebaut wird und wenn die erste und die zweite Leitung R bzw. L aufgeladen wird. Es sei darauf hingewiesen, daß jede sich unter der Gate-Elektrode 31 bzw. 33 in der Potentialmulde 27 bzw. 29 während der Voraufladungszeit zwischen Zeitpunkt t1 und t2 sowie Zeitpunkt t4 und t5 ansammelnde Ladung, wenn die Leitung R auf VgR minus VtR und die Leitung L auf VgL minus VtL aufgeladen wird, in üblicher Weise abgeleitet werden sollte, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 4 036 667 offenbart ist, beispielsweise über eine ableitende Diode, die beispielsweise aus N -leitendem Material bestehen kann.
  • Es sei ferner darauf verwiesen, daß Bruchteils-Ladungspakete, wie z. B. Q/2 oder Q/4 in einfacher Weise dadurch erzeugt werden können, daß man anstelle des Bezugspotentials VR Bezugsspannungen VR/2 oder VR/4 verwendet. Wenn man auf einer der Leitungen R oder L die Spannung von VR auf Erdpotential absenkt und damit ein Ladungspaket Q in eine erste Potentialmulde einfließen läßt und dann anschließend die auf der anderen Leitung R oder L liegende Spannung von VR/2 auf Erdpotential absenkt, dann wird ein Ladungspaket Q/2 in eine von der ersten Potentialmulde entfernt liegende zweite Potentialmulde injiziert und kann dort beispielsweise zum Abfühlen einer Ladung verwendet werden.
  • Wie in Fig. 1 angedeutet, kann die Spannung VR/2 über den Transistor 18 dadurch an die erste Leitung R angelegt werden, daß eine entsprechende Spannung Vl an die Gate-Elektrode 17 des Transistors 18 angelegt wird, während die Spannung VR/2 an die zweite Leitung über Transistor 26 dadurch angelegt werden kann, daß man die Spannung V2 an die Gate-Elektrode 23 des Transistors 26 anlegt. Die Spannung VR/4 zur Erzeugung des Ladungspakets Q/4 kann dadurch an die erste Leitung R angelegt werden, daß die Spannung VR/4 dadurch über den Transistor 20 angelegt wird, daß eine Spannung V3 an der Steuerelektrode des Transistors 20 liegt. Außerdem kann die Spannung VR/4 an die zweite Leitung L dadurch angelegt werden, daß durch Zuführen einer Spannung V4 an der Gate-Elektrode des Transistors 28 die Spannung VR/4 über Transistor 28 an die Leitung L angelegt wird. Aus Gründen der Klarheit sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 2 die Transistoren 20 und 28 zum Anlegen der Spannung VR/4 nicht dargestellt sind, jedoch in gleicher Weise vorgesehen werden können, wie dies mit den Transistoren zum Anlegen der Spannungen VR und VR/2 vorgenommen wurde.
  • Man sieht, daß die Verteilung von genauen Gleichspannungspegeln, wie z. B. VR, VR/2 und VR/4 zur Erzeugung von gleichermaßen genauen Ladungspaketen führt, da der Kondensator C ein für die Erzeugung aller Größen von Ladungspaketen gemeinsamer Kondensator ist. Die Verteilung von mehreren Potentialstufen oder Spannungsstufen auf einem Halbleiterplättchen unterstützt ein mehrstufiges CCD-Speichersystem mit einem in üblicher Weise aufgebauten Widerstandsnetzwerk, das außerhalb des Halbleiterplättchens als Digital-Analogwandler vorgesehen sein kann. Derartige Widerstandsnetzwerke sind allgemein bekannt und können ohne Schwierigkeiten Spannungen mit weniger als 1% Genauigkeit liefern.
  • Es sei ferner darauf verwiesen, daß die Streukapazitäten aus dem Spannungs-Ladungswandler voraufgeladen werden, so daß die Technik gemäß der vorliegenden Erfindung sich leicht dahingehend erweitern läßt, Ladungspakete Q zur Speicherung an mehr als zwei Punkten auf einem leitenden Substrat oder Halbleiterplättchen 10 zu duplizieren. Wenn hohe Schaltgeschwindigkeit oder verbessertes Betriebsverhalten erwünscht sind, kann eine an sich bekannt Rückkopplungsschaltung für den Wandler benutzt werden, wie dies beispielsweise aus einem Aufsatz "A Fast Sample and Hold Charge-Sensing Circuit for Photo Diode Arrays" von P. G. A. Jespers_u.a. in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-12, Nr. 3, Juni 1977, Seiten 232-237 hervorgeht.
  • Obgleich gemäß Fig. 1 nur ein einziger Kondensator C in Reihe zwischen der ersten Leitung R und der zweiten Leitung L eingeschaltet ist, so sollte doch klar sein, daß eine Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren, wie die in Fig. 4 gezeigten Kondensatoren CL und CR die erste und zweite Leitung R und L miteinander verbinden können, wodurch sich ein besseres Betriebsverhalten ergibt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Streukapazität Cp nicht durch die Eingangstordioden mit den Gate-Elektroden 31 und 33 in Fig. 1 und 2 aufgeladen wird. Daher sind duplizierte Ladungspakete Q vom Wert der Streukapazität Cp abhängig.
  • Man sieht, daß die Erfindung mit Vorteil von der einfachen Übertragung von Spannungen von einem Ort an einen anderen zum Injizieren gewünschter Ladungsmengen in auf Abstand voneinander liegenden Speicherplätzen Gebrauch macht, statt eine Ladung oder ein Ladungspaket von einem Speicherplatz zu einem anderen zu transferieren, was beispielsweise die Verwendung komplexer Ladungsintegratoren erforderlich macht, wie zum Beispiel eine Eimerkettenschaltung oder einen Operationsverstärker. Außerdem muß die Länge der Leitungen L und R nicht gleich groß sein, da die Streukapazitäten unabhängig von ihrer Größe durch Voraufladung auf bekannte Spannungen wirkungslos gemacht werden können. Außerdem kann das Verhältnis von Breite zu Länge (W/L) der bei diesem Wandler verwendeten Transistoren zweckmäßigerweise gleich 1 gemacht werden.

Claims (4)

1. Spannungs-Ladungswandler für die Übertragung von ganzen oder Bruchteils-Ladungspaketen von einer ladungsgekoppelten Anordnung auf eine zweite ladungsgekoppelte Anordnung auf einem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet,
daß jede dieser ladungsgekoppelten Anordnungen aus einer gegen das Substrat (10) isolierten Speicherelektrode (SR, SL; 11, 13) einer über einer Potentialmulde (27, 29) isoliert angeordneten Gate-Elektrode (31, 33) und einer zum Leitungstyp des Substrats entgegengesetzt dotierten Zone (12, 14) besteht, daß jede dieser Anordnungen über eine Leitung (L, R) mit der einen bzw. der anderen Seite einer Kondensatorschaltung (C; CL, CR, CP) verbunden ist, und
daß an jeder dieser Leitungen (L, R) Schalttransistoren (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) angeschlossen sind, über die jeweils im Betrieb ein Bezugspotential (VR, VR/2, VR/4) bzw. Erdpotential an die Leitungen anlegbar sind.
2. Spannungs-Ladungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Anlegen des jeweiligen Bezugspotentials (VR, VR/2 bzw. VR/4) bzw. des Erdpotentials an die zugeordnete Leitung (L, R) die zugeordneten Schalttransistoren (16, 18, 20, 24, 26, 28 bzw. 22, 30) an ihren Steuerelektroden durch ein Steuerpotential (Vgl, Vg3, V1, V3, V2, V4 bzw. VggL, VggR) durchschaltbar sind.
3. Spannungs-Ladungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Leitungen (L, R) unterschiedliche Länge aufweisen, wobei die eine Leitung (R) aus einem metallischen Leiter und die andere Leitung (L) aus einer Diffusionszone in dem Halbleitersubstrat (10) besteht.
4. Spannungs-Ladungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatorschaltung aus einem (C) oder mehreren (CL, CpxCR) zwischen die Leitungen (L, R) geschalteten Kondensatoren besteht.
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